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高压胶管的技术新进展
李举平姜景波寇攀虎刘勇邵德地林芳
(陕西延长石油西北橡胶有限责任公司陕西咸阳712023
摘要:
介绍高压胶管使用的最新材料(主体材料、配合体系、钢丝骨架层;先进生产设备(编织机、缠绕机;工艺方法上新的改进;结构设计上的创新及目前使用的最新标准。
关键词:
钢丝增强橡胶软管材料设备工艺结构
高压胶管是橡胶软管中的高端产品,由于材料、设备的要求比较高,结构、工艺复杂,其产品附加价值远远高于中、低压胶管,成为胶管生产企业产品竞争的焦点。
该类产品应用范围广泛,涉及工程机械、采矿、冶金、石油、化工、航空、航海等领域。
目前国内外高压胶管的发展几乎都朝着高强度(高压力、大口径、大长度的方向发展,而且用户在耐高温、耐低温、耐曲挠疲劳、耐特殊介质和增大流量等方面提出了更高的要求,促进和推动了高压胶管的产品的技术进步。
本文对高压胶管使用的材料、设备、工艺、结构、标准等方面技术进展做一介绍。
一、使用的最新材料
高压胶管使用的材料分为非金属材料和金属材料,在高压胶管生产过程中经常使用的非金属材料有丁腈橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶等,随着技术的进步和橡胶行业的发展,三元乙丙橡胶、氯磺化聚乙烯、氯醇橡胶、氢化丁腈橡胶等逐步应用于高压胶管产品上,用于制造高性能、高附加价值的高压胶管产品。
非金属方面常用的有尼龙、聚酯纤维,随着纺织行业的发展,芳纶纤维等高性能材料逐渐应用于高压胶管中,作为高压胶管的骨架材料。
金属材料有截面为圆形的镀铜钢丝、镀锌钢丝作骨架层材料,随着计算机仿真、试验等技术的进步,扁钢丝(截面为椭圆形的镀铜钢丝将会应用于高压胶管中。
现将高压胶管使用的新材料做一介绍。
1、三元乙丙橡胶[1]:
具有优异的耐热性、耐蒸汽性、耐天候老化、化学腐蚀及优良的电绝缘性能,特别是对二醇醚制动液及植物油的抗耐性较好。
适用制造耐热、耐蒸汽及耐强腐蚀介质的高压胶管。
2、氯磺化聚乙烯橡胶:
具有优异的抗臭氧及天后老化性能,耐化学腐蚀性好,优良的耐燃、耐油类及抗撕裂性能,适于制造耐强腐蚀介质、耐燃、耐臭氧老化要求的高压胶管,特别适用于制造在恶劣大气环境下使用的胶管外层胶料。
3、氯醇橡胶:
具有优异的耐天候老化性,耐油、溶剂性能好,良好的耐燃和低透气性能,适于制造耐油类、耐臭氧、耐天候老化和低透气性高压胶管。
4、氢化丁腈橡胶:
具有优异的耐油性,耐腐蚀,耐低温、高温,耐氧化、耐动态疲劳、耐臭氧的新材料,适于制造耐油等特殊要求的高压胶管。
5、丁腈橡胶/PVC:
耐油、耐磨、耐臭氧性能优异,挤出性能好,易加工,适于制造耐磨、耐臭氧环境下使用的高压胶管外胶。
6、芳纶纤维:
芳纶纤维具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸碱、重量轻等优良性能,其强度是钢丝的7倍,模量为钢丝或玻璃纤维的2~3倍,韧性是钢丝的2倍,而重量仅为钢丝的1/5左右,在450℃的温度下,不分解,不融化。
它具有良好的绝缘性和抗老化性能,具有很长的生命周期[2]。
7、扁钢丝:
具有强度高、模量高、耐高温曲挠性、承压性能好。
尤其是扁钢丝,抗扭转、弯曲变形性能好。
使用扁钢丝制造的高压钢丝编织/缠绕胶管比使用高强度(超高强度
钢丝制造的胶管的脉冲性能要好得多。
二、使用的新型设备
编织机和缠绕机作为高压胶管生产的关键设备,其性能对橡胶软管的生产有直接的影响。
本文将介绍目前高压胶管最新、最先进的Mayer公司的MR-15型及Seijin公司的仿RB-2型高编机[3],意大利VP公司新型钢丝缠绕机、韩国Seijin公司钢丝缠绕机。
意大利VP公司新型钢丝缠绕机有24锭、36锭和48锭三种规格的四盘钢丝缠绕机,缠绕盘最大转速分别为100rpm、90/80rpm和70rpm。
这种钢丝缠绕机的主要特点在于其锭子结构和缠绕口型。
钢丝预成型采用机上塔轮式预成型,机械传动调控实现不同的缠绕行程,钢丝张力为气动调控,合股锭子,每个锭子同时引出若干根钢丝,同时缠绕在胶管上,类似于钢丝编织机锭子上合股的钢丝,而不是象普通钢丝缠绕机那样每个锭子只引出一根钢丝。
钢丝是以若干根钢丝同时引出的方式进行缠绕的,因此缠绕口型需特殊设计,其设备优势在于气动张力调控,所有钢丝能以均匀一致的张力缠绕在胶管上,并且不会引起钢丝背股。
图1VP公司钢丝缠绕机
Seijin钢丝缠绕机采用电气自动控制取代部分机械传动控制,实现不同的缠绕行程,电器自动化控制水平较高。
这种钢丝缠绕机的主要特点在于钢丝预成型装置,钢丝单根单轴,多轴同锭,钢丝预成型采用内、外预成型口型与分线圈与张力圈之间相互配合,缠绕时钢丝发生旋转而形成一定的圈径和螺距,以满足生产工艺要求。
这种预成型方法使钢丝预成型后即产生圈径又产生螺距,克服了其它预成型方法只有圈径没有螺距的弊端,此种预成型方法减小了产品在承压时钢丝变形量,可提高产品的脉冲性能。
图2seijin公司钢丝缠绕机
MayerMR-15型钢丝编织机(以24锭为例是德国Mayer公司20世纪90年代开发的产品,其结构原理是在MR-11的基础上,增加了PLC控制系统,转子由12个变为8个,每个转子由6个互成60°角的凹形半圆槽,槽位即轴承位。
8个转子上共有24个梭子,一半梭子沿转子圆周分布,并绕中心顺时针方向运动,另一半逆时针方向运动。
在同一转子上的角度差为转子的1/3圆周,即120°,顺逆两方向运动的梭子在同一转子上的角度差为60°,这样通过每个梭子上的张力补偿器,及时补偿和调整钢丝张力,使各股钢丝张力均匀、一致地放出,形成3/3网纹状结构编织层。
其动力部分由三台独立的同步电机分别带动牵引装置和锭盘做作正弦曲线运动,通过在PLC数显屏上输入编织行程、速度即可实现软管的编织工作。
而MR-11是通过手动更换挂轮,来实现编织行程的调节,完成软管的编织工作。
图3MR-15钢丝编织机
Seijin仿RB-2型钢丝编织机结构原理是在RB-2的基础上,增加了PLC控制系统,动力部分由三台独立的同步电机带动牵引装置,同时带动锭盘做作旋转运动,锭子以恒定速度进行运动,运动轨迹为环形,内锭子的钢丝线速度方向始终保持恒定,外锭子钢丝沿编织中心方向通过挑线摆动杆定距离做上下往复运动,内外锭钢丝形成交点,螺杆机构推动往复套筒使形成的交点成为编织点。
锭子运动为滚动摩擦,磨损小。
通过在PLC数显屏上输入编织行程、速度,可使放线过程中摆动杆的摆动同步,使钢丝松紧一致,即可实现软管的编织工作。
图4仿RB-2钢丝编织机
三、工艺方法上的新改进
工艺方法方面主要表现在三方面,一是软芯法内胶压出及包塑硫化;二是铁芯法内、外胶管坯成型,三是钢丝预成型。
软芯法,内胶压出采用塑料或耐高温橡胶芯子,可有效解决铁芯压扁内胶层,造成内胶薄厚不匀的问题,另外产品外观光滑光亮,规格尺寸准确,性能稳定,长度也比硬芯法有所增大,它适用于生产直径为38mm以下的大长度胶管[4];包塑硫化[5]采用挤出机在外胶层上包覆一层聚丙烯材料,可有效解决铅对人体的危害和环境污染。
硬芯法内胶管坯挤出采用带芯挤出工艺方法,直接采用挤出机将内胶管坯包覆在铁芯上,代替传统的套管工艺方法,简化了工艺流程。
外胶管坯成型采用缠绕外胶片与钢丝缠绕(编织成型联动的工艺方法,类似于缠水包布那样采用搭接宽度为胶片宽度的1/2,此种工艺方法可替代挤出机包外胶或手工包外胶片的方法,减少能耗,降低成本。
钢丝缠绕成型采用机上预成型法代替机下预成型法。
机上预成型总体可分为塔轮预成型法、张力圈预成型法。
塔轮预成型法通过更换不同直径的塔轮使钢丝预成型后获得满足生产工艺要求的圈径。
张力圈预成型法通过张力圈调整钢丝张力与前后预成型口型间的间距使钢丝预成型后获得满足生产工艺要求的圈径和螺距。
机上预成型方法可使钢丝预成型后获得均匀一致的圈径和螺距,从而提高增强层的耐压强度和脉冲性能。
四、结构设计上的创新
高压胶管的结构由内衬层、内胶层、骨架层、中胶层、外胶层四部分组成。
内衬层直接与输送介质接触,通常选用耐介质性好、拉伸强度高、定伸应力高、压缩永久变形小、易加工的合成橡胶,为了满足耐强极性介质的使用要求,内衬层采用聚四氟乙烯层与橡胶层复合而成,内衬层表面附加一层胶片或粘合剂以提高与骨架材料的粘合。
高压胶管的承压能力取决于增强层,由纤维/钢丝编织、缠绕或编织缠绕复合结构的方法制作而成,增强层材料向着直径小、高强度、轻质方向发展。
骨架层中多采用钢丝编织体为增强层,超高压胶管多采用钢丝缠绕增强结构。
中胶层采用与钢丝粘着性能好的胶料压成0.2~0.4mm胶片制成,外胶层用耐磨性好、耐老化性能好的胶料制作,以保证增强层不受机械损伤、化学腐蚀、潮湿生锈等。
图5缠绕结构的高压胶管图6编织结构的高压胶管
五、现行最新有效标准[6]
1、产品标准:
高压胶管产品标准见表1。
表1高压胶管产品标准
序号产品品种标准编号标注名称
1橡胶软管及软管组合件GB/T3683-2021
ISO1436:
2021
橡胶软管及组合件油基或水基流体适用的钢
丝钢丝编织钢丝增强液压型规范
2橡胶软管及软管组合件GB/T3683-2021
ISO1436:
2021
橡胶软管及软管组合件钢丝编织增强液压型
规范第1部分:
油基流体适用
3钢丝缠绕增强外覆橡胶的液压橡
胶软管和软管组合件
GB/T10544-2003
钢丝缠绕增强外覆橡胶的液压橡胶软管和软
管组合件
4橡胶软管及软管组合件橡胶包覆
钢丝缠绕增强液压型油基或水基
流体适用规范
ISO3862:
2021
Rubberhosesandhoseassemblies_Rubber
coveredspiral_wrie_reinfocedhydraulictypes
foroil_basedorwater_basedfluidsSpecification
5橡胶软管及软管组合件(钢丝编织
增强液压型
EN_853:
1996
(BS_EN_853:
1997
Rubberhosesandhoseassemblies_
wriebraidreinfocedhydraulictype_
Specification
6液压软管SAE_J517-2021HydraulicHose
7橡胶软管及软管组合件(外覆橡胶
钢丝缠绕增强液压型
EN856_1997
Rubberhosesandhoseassemblies_
rubber_covercedspiralwirereinfocedhydraulic
type_Specification
2、性能测试标准:
原材料及组件性能测试标准见表2。
表2原材料及组件性能测试标准
序号试验方法标准名称检测项目
1GB/T528-2021硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性
能测试
1扯断强度2扯断伸长率3扯断永久
变形4压缩永久变形
2GB/T531.1-2021硫化橡胶或热塑性橡胶压入硬度试验方
法第1部:
邵氏硬度计法
硬度
3GB/T3512-2001硫化橡胶或热塑性橡胶热空气加速老化
和耐热试验
老化性能/耐热性能
4GB/T1690-2006硫化橡胶或热塑性橡胶耐液体试验方法耐流体性能
5GB/T24134-2021橡胶和塑料胶管静态条件下耐臭氧性能
评价
耐臭氧性能
6GB/T14905-2021橡胶和塑料胶管各层间站和强度测定层间粘合性能
7GB/T9573-2003橡胶、塑料胶管及组合件尺寸测量方法1直径和同心度2长度
8GB/T9574-2003橡胶和塑料胶管和胶管组合件试验压
力、爆破压力与设计工作压力的比率
试验压力、爆破压力、工作压力
9GB/T9575-2003工业通用橡胶和塑料胶管内径尺寸及公
差和长度公差
内径尺寸
10GB/T5563-2006橡胶和塑料胶管及胶管组合件静液压试
验方法
1最大工作压力下的长度变化2试验
压力3最小爆破压力4胶管组合件
111213141516171819GB/T5564-2006GB/T5565-2006GB/T5567-2006GB/T5568-2006GB/T12721-2007GB/T3683.1-2006JB/T8727-2004GB/T18950-2003GB/T11182-2006橡胶和塑料胶管低温曲挠试验橡胶或塑料增强胶管和非增强胶管弯曲试验橡胶和塑料胶管及胶管组合件耐吸扁性能测定橡胶和塑料胶管及胶管组合件无曲挠液压脉冲试验橡胶胶管外层耐磨耗性能测定胶管及胶管组合件钢丝编织增强液压型规范液压胶管总成橡胶和塑料软管静态下耐紫外线性能测定橡胶软管增强用钢丝的泄露低温曲挠性能弯曲性能耐吸扁性能无曲挠液压脉冲性能耐磨性能最小弯曲半径最小通过量静态下耐紫外线性能测定钢丝性能六、结论1、高压胶管用内胶材料向氢化丁腈橡胶、氯丁橡胶、乙丙橡胶及内胶内衬尼龙、氟材料的方向发展;外胶向氯磺化聚乙烯橡胶、氯丁橡胶及丁腈橡胶/PVC共混胶方向发展。
2、高压胶管使用设备逐步向高精度、高产能、自动化方向发展。
国内大型胶管生产厂家在钢丝编织管设备方面开始逐步使用目前最先进的MR-15型、Seijin仿RB-2型高速编织机;在缠绕管设备方面开始逐步扩大意大利VP公司新型钢丝缠绕机、Seijin钢丝缠绕机的使用。
3、高压胶管工艺方法上采用了软心法、硬芯法代替了传统的套管工艺;包塑工艺有效解决了铅污染,起到了绿色环保的作用;钢丝机上预成型法可有效提高胶管的耐压强度和脉冲性能。
4、高压胶管结构上在内胶层上复合氟材料、尼龙等内衬层,提高内胶特殊介质、溶剂的性能;向编缠化复合结构发展。
5、高压胶管产品使用的标准是现行有效的、最新的标准、国际标准、欧标、美标等标准;原材料及测试用标准采用最新有限标准。
参考文献:
[1]李延年,吴宇方,翟祥国,橡胶工业手册(第五分册.北京:
化学工业出版社,1993:
311-312.[2]郑海波,陈晋阳,新型高性能骨架材料在汽车胶管中的应用[J],橡胶新材料工业,3009,34期:
25-28.[3]姜景波,李举平,刘勇等,几种进口钢丝编织机性能特点对比[J].特种橡胶制品,2021,33(6):
60-63[4]彭秋柏,黄庙由,国内外钢丝编织胶管的发展概况[J].世界橡胶工业,2006,33(7):
44-49.[5]张群周维海,橡胶软管的包塑硫化工艺[J].橡胶工业,1999,46
(2):
99-100.[6]陶大君,我国液压胶管的生产、工艺现状及发展趋势[J].中国橡胶年会资料,2021:
313-323.简介:
李举平(1981—),男,陕西安康人,主要从事高压胶管产品研发工作。
CHEMICALINDUSTRYANDENGINEERINGPROGRESS2021年第30卷第1期·34·
化工进展
纳米技术在强化传热中应用的研究进展
张正国,燕志鹏,方晓明,方玉堂,高学农
(华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室,广东广州510640
摘要:
采用纳米技术,通过改变传热流体的物性和流动特征以及传热表面的特性,能有效地强化传热。
本文综述了纳米流体、纳米胶囊粒子潜热型热流体以及纳米涂层表面在强化传热中应用的研究进展,分析了各种纳米技术的强化传热机理,指出了现有研究工作存在的问题和今后研究的方向。
关键词:
纳米流体;纳米胶囊相变粒子;纳米涂层表面;强化传热
中图分类号:
TQ02文献标志码:
A文章编号:
1000–6613(202101–0034–06
Researchdevelopmentofapplicationsofnanotechnology
inheattransferenhancement
ZHANGZhengguo,YANZhipeng,FANGXiaoming,FANGYutang,GAOXuenong
(LaboratoryofEnhancedHeatTransferandEnergyConversation,MinistryofEducation,
SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,Guangdong,China
Abstract:
Heattransferratecanbeeffectivelyenhancedbymodifyingtheflowandthermalcharacteristicsoftheheattransferfluidandthesurfacepropertiesbyapplyingnanotechnology.Theprogressofapplicationsofnanofluids,latent-heatthermalfluidsbyusingnano-encapsulationphasechangematerialsandnano-coatedsurfaceinheattransferenhancementaresummarized.Themechansimsofheattransferenhancementforthedifferentnanotechnologiesareanalyzed,theexistingproblemsintheseresearchesandtheprospectofapplicationarediscussed.
Keywords:
nanofluid;nano-encapsulationphasechangematerial;nanocoatedsurface;heattransferenhancement
随着化石能源的逐渐枯竭,世界各国都面临着能源短缺的严峻问题,如何提高能源的利用效率并开发新能源已受到人们的普遍关注。
换热器既广泛应用于化工、石化、动力等传统领域,又应用于太阳能、地热能、核能等新能源利用领域,其传热效率的高低直接影响到能源的利用效率和水平。
采用强化传热技术则能有效地提高换热器的传热性能,减少设备体积和传热温差,从而实现节能、节材的目标。
自20世纪70年代世界石油危机以来,强化传热技术得到了快速发展,先后开发出了许多强化单相、相变传热的元件与高效换热器,如各种强化传热管(包括扩展表面、粗糙表面及管内插入物[1]和新型板式及板翅式换热器、螺旋隔板换热器[2]等。
目前,这些强化传热技术在工业及民用等领域已得到广泛应用[3-4],并取得了显著的节能、节材经济效益。
随着微电子、燃料电池、激光加工等高新技术领域的发展,对冷却传热技术提出了严峻的挑战。
因为在这些高新技术领域中,涉及的大多是微尺度的传热问题,受空间尺度的限制,在传热表面加工
收稿日期:
2021-10-20;修改稿日期:
2021-10-26。
项目:
教育部新世纪优秀人才资助计划(NCET-07-0312及教育部高校博士点项目(20210172110015。
第1期张正国等:
纳米技术在强化传热中应用的研究进展·35·
翅片或粗糙元十分困难,必须采用新的强化传热手段。
纳米材料因具有小的尺寸、大的表面积与体积比率以及独特的光、磁、电、化学和机械特性,为传热强化提供了新的有效途径。
本文作者综述了近年来纳米技术在传热强化领域的研究进展,主要包括纳米流体的传热强化、纳米胶囊潜热型功能热流体的传热强化及纳米涂层表面的传热强化。
1纳米流体的传热强化
1.1单相对流传热强化
纳米流体是由美国Argonne实验室最先提出的强化传热新技术[5],它是指将粒径小于100nm(至少一维的金属或非金属纳米粒子分散在普通流体(水、油、乙二醇等中而构成的悬浮液,并要求悬浮液必须均匀、稳定而且能持久,纳米粒子不与传热流体发生化学反应,且纳米粒子不易团聚。
目前广泛研究的纳米粒子主要包括Cu、Al、CuO、Al2O3、TiO2、SiO2及碳纳米管等。
大量研究表明[6-8],纳米流体能的有效热导率比其基础流体有所提高。
根据对流传热的基本理论,流体的对流传热系数与其自身的物性有关,纳米流体不仅改变了流体的热导率,而且还改变了流体的密度、比热容、黏度,对纳米流体传热性能进行研究是其实际应用的前提和基础。
从目前文献来看,相关研究工作主要包括:
纳米流体的对流传热强化、纳米粒子的粒径大小对传热性能的影响以及纳米粒子的体积分数对传热性能的影响。
Duangthongsuk等[9]实验研究了TiO2/H2O纳米流体在套管换热器内的强制对流传热特性,TiO2的体积分数为0.2%时,纳米流体的对流传热系数提高了6%~11%,而压降稍有增加,结果表明,Gnielinski方程不能应用于纳米流体的传热系数计算。
Asirvatham等[10]实验研究CuO/H2O纳米流体在管内的稳态对流传热,CuO的体积分数为0.003%时,对流传热系数提高了8%,同时还建立了沿流动方向的局部努塞尔特关系式,实验结果与关系式的计算值吻合良好。
Fotukian等[11]则实验研究了CuO/H2O纳米流体在湍流条件下的对流传热与压降性能,CuO的体积分数为0.24%时,纳米流体的平均对流传热系数提高了25%,对应的压降增加了20%。
Nguyen等[12]实验研究了Al2O3/H2O纳米流体的对流传热特性。
结果表明,当Al2O3纳米粒子的体积分数为6.8%时,其对流传热系数比水提高了40%。
纳米流体的对流传热性能与所选用的纳米粒子种类有关,不同类型的纳米粒子呈现不同的强化传热性能,因为不同类型纳米粒子的流体具有不同的电极电位,从而影响纳米流体的微对流特性。
Anoop等[13]对Al/H2O纳米流体在恒热流密度下的层流传热特性进行了实验研究,获得了粒子直径分别为45nm和150nm时的对流传热系数。
结果表明,当粒径为45nm时,纳米流体的对流传热系数明显高于粒径为150nm的纳米流体,同时还建立了纳米流体在发展区域的对流传热系数关系式。
Zhang等[14]则以CuO/H2O纳米流体为对象,实验研究了具有不同CuO粒径大小(23nm、51nm和76nm的纳米流体在湍流条件下的对流传热性能。
结果表明,所有的纳米流体均能强化流体的对流传热,CuO粒径为76nm时,纳米流体的对流传热系数最高。
纳米粒子的粒径变化将改变纳米流体的物性及其布朗运动特征,从而影响对流传热系数。
Murshed等[15]实验研究了TiO2/H2O纳米流体的强制对流传热性能,TiO2的体积分数为0.2%~0.8%。
实验结果表明,随着纳米粒子体积分数的增加,对流传热系数也增加。
Heris等[16]的研究表明,Al2O3/H2O纳米流体的对流传热系数随Al2O3纳米粒子体积分数的增加而增大,当其体积分数为2.5%时,纳米流体的对流传热系数比水提高了22%~41%,且压降变化不大。
随着纳米粒子体积分数的增大,纳米流体的热
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